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高储能密度铁电聚合物纳米复合材料研究进展

物理学报 2020年第21期69卷 259-271页

作者：沈忠慧江彦达李宝文张鑫武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室智能材料与器件研究中心武汉430070 武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院武汉430070

介电电容器具有超高功率密度、低损耗以及高工作电压等优点,是广泛应用于电子电力系统的关键储能器件.铁电聚合物是发展高储能密度电介质薄膜材料的理想选择,而基于铁电聚合物的纳米复合材料则兼具了聚合物的高击穿场强、柔性、易加工... 详细信息

介电电容器具有超高功率密度、低损耗以及高工作电压等优点,是广泛应用于电子电力系统的关键储能器件.铁电聚合物是发展高储能密度电介质薄膜材料的理想选择,而基于铁电聚合物的纳米复合材料则兼具了聚合物的高击穿场强、柔性、易加工等特点以及陶瓷的高介电性能,是近年来电介质储能材料研究的前沿与热点.本文首先介绍了铁电聚合物材料的制备、铁电性能以及极化特性的调控方法,随后总结了铁电聚合物纳米复合材料中纳米填料、复合结构以及界面三个关键调控策略对复合材料介电与储能性能的影响,并探讨了基于相场方法的纳米复合材料中介电与储能特性的微观机制研究,最后对高储能密度铁电聚合物纳米复合材料现存问题以及未来发展方向进行了总结与展望.

关键词：铁电聚合物纳米复合材料储能密度介电材料

P（VDF-TrFE）铁电聚合物薄膜不对称铁电开关现象

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Chinese Journal of Chemical Physics 2010年第4期23卷 425-430,I0001页

作者：朱国栋罗晓雅张吉皓严学俭复旦大学材料科学系上海200433

报道了铁电聚合物薄膜中观测到的不对称铁电开关双峰现象．当薄膜被略低于其矫顽场的电场极化时可观测到铁电开关双峰，当进一步连续施加超过矫顽场的电场后这一开关双峰现象消失．用空间电荷的注入和再分布模型对这一不对称现象进行了... 详细信息

报道了铁电聚合物薄膜中观测到的不对称铁电开关双峰现象．当薄膜被略低于其矫顽场的电场极化时可观测到铁电开关双峰，当进一步连续施加超过矫顽场的电场后这一开关双峰现象消失．用空间电荷的注入和再分布模型对这一不对称现象进行了探讨．

关键词：铁电聚合物铁电开关 P(VDF-TrFE)

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铁电聚合物基非易失存储结构的电学性能研究

铁电聚合物基非易失存储结构的电学性能研究

作者：张吉皓复旦大学

学位级别：硕士

聚偏二氟乙烯（PVDF）及二氟乙烯与三氟乙烯的共聚物P（VDF-TrFE）的具有自发极化强度相对较高、极化稳定性强、极化翻转时间短等优点,作为一种新型的铁电功能材料,已经受到越来越多的关注。本文基于铁电聚合物,分别制备了金属-铁... 详细信息

聚偏二氟乙烯（PVDF）及二氟乙烯与三氟乙烯的共聚物P（VDF-TrFE）的具有自发极化强度相对较高、极化稳定性强、极化翻转时间短等优点,作为一种新型的铁电功能材料,已经受到越来越多的关注。本文基于铁电聚合物,分别制备了金属-铁电材料-半导体（MFeS）和金属-铁电材料-氧化物-半导体（MFeOS）两种非易失性存储结构,分别表征其形貌结构和电学性能,对器件的电学疲劳特性和数据保持能力做了研究。主要研究内容包括： 1、对MFeS器件的电学疲劳特性进行了研究。在自建的Sawyer-Tower电路上,通过改变极化疲劳电压的频率,研究器件结构的疲劳特性,发现器件的疲劳速率对外加疲劳电压的频率有很强的依赖性,频率越高,疲劳速率越慢。同时,通过和MFeM结构疲劳速率的比较,得到了不同电极对于器件疲劳性能的影响。 2、对MFeOS器件结构的电学性能进行研究。在极化过程中,观察开关比、记忆窗口和C-V回线的变化,得到：随着疲劳的深入,MFeOS结构的开关比减小,记忆窗口变化等现象,并尝试对其中观察到的现象做了解释。此外,我们对MFeOS结构的数据保持性能进行研究,研究写入电压的极性、幅度以及脉宽对MFeOS结构数据保持能力的影响,并加以解释。

关键词：铁电聚合物电容结构 C-V回线极化疲劳数据保持

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铁电聚合物及其复合材料的电学性能研究

铁电聚合物及其复合材料的电学性能研究

作者：罗晓雅复旦大学

学位级别：硕士

聚偏二氟乙烯（PVDF）和偏二氟乙烯与三氟乙烯的共聚物P（VDF-TrFE）被广泛应用于传感器,换能器领域,是最有前途的聚合物铁电材料。近年来,由于其自发极化强度高,极化稳定性强,绝缘性好,极化翻转时间短等优点,被用于制备有机铁电存储器... 详细信息

聚偏二氟乙烯（PVDF）和偏二氟乙烯与三氟乙烯的共聚物P（VDF-TrFE）被广泛应用于传感器,换能器领域,是最有前途的聚合物铁电材料。近年来,由于其自发极化强度高,极化稳定性强,绝缘性好,极化翻转时间短等优点,被用于制备有机铁电存储器。P（VDF-TrFE）铁电层决定了铁电存储器的使用寿命,可靠性,工作电压,读写速度等,因此,研究并提高铁电聚合物材料的性能具有重要意义。本论文向P（VDF-TrFE）中添加聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）,制备PMMA/P（VDF-TrFE）铁电复合材料,通过原子力显微镜,X射线衍射,绝缘性测试,铁电性测试等方法,对铁电复合材料的性能进行研究。研究发现：随着PMMA含量的增加,铁电材料的表面粗糙度减小,漏电流降低,极化翻转时间减小,并且在一定比例下,抗疲劳性质提高。平整的界面和优良的绝缘性能够提高器件可靠性;极化翻转时间的减小能够提高存储器的读写速度。因此从这些方面而言,PMMA的添加有助于改善铁电聚合物P（VDF-TrFE）的性能。此外,添加了PMMA的复合材料的数据保持力与未添加PMMA之前一样优秀,且PMMA没有增加薄膜内建电压,因此不会影响薄膜矫顽电压的稳定性。但同时我们也发现,随着PMMA含量的增加,铁电薄膜的剩余极化强度随之减小,矫顽电压有所增加,这对铁电存储器的性能有不利影响。因此,在制备铁电存储器时,应根据实际需要选择适当的PMMA含量。本论文中铁电薄膜疲劳特性和内建电场的测试均由论文作者开发的铁电薄膜测试程序完成,附录中详细介绍了该测试程序的使用和开发。

关键词：铁电聚合物铁电复合材料铁电存储器

铁电聚合物P（VDF-TrFE）纳米结构的制备及其应用研究

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铁电聚合物P（VDF-TrFE）纳米结构的制备及其应用研究

作者：傅超苏州大学

学位级别：硕士

聚合物普遍具有低成本,易加工,柔韧性好,重量轻等天然优势,因此成为材料研究的一个热点。而以聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物为代表的铁电聚合物材料,不仅拥有这些聚合物的共性,同时还拥有铁电性,压电性,热释电性等一系列独特的性能,这些... 详细信息

聚合物普遍具有低成本,易加工,柔韧性好,重量轻等天然优势,因此成为材料研究的一个热点。而以聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物为代表的铁电聚合物材料,不仅拥有这些聚合物的共性,同时还拥有铁电性,压电性,热释电性等一系列独特的性能,这些特性使得铁电聚合物材料在铁电信息存储,压力传感器,红外探测器,太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。对于PVDF及其共聚物而言,其铁电性来源于分子链中H-F原子对组成的偶极的定向排列,因此其片晶以及分子链的取向会对材料的性能产生深刻的影响。为此,科研人员研究了包括空间受限诱导,拉伸诱导,电场诱导等一系列方法来获得特定取向的晶体结构。这些具有特定取向结构的晶体在某些物理性质上得到了巨大的提升,从而为制备具有优异性能的有机功能器件提供了基础。由偏氟乙烯和三氟乙烯共聚而来的聚合物聚偏氟乙烯-三氟乙烯P(VDF-TrFE)相对于PVDF而言具有更加稳定的?相结构,这意味着P(VDF-TrFE)拥有更加可靠的铁电性,因此本论文选择以P(VDF-TrFE)作为研究对象。本课题组在先前的研究中已经对P(VDF-TrFE)在空间受限条件下的取向以及性能的关系进行了大量的研究,确认了空间受限条件下片晶的取向行为对材料的物理性能具有决定性的作用。在此基础之上,我们以多孔阳极氧化铝(AAO)作为模板,通过纳米压印的方法,构筑了不同直径的P(VDF-TrFE)纳米柱结构。通过PFM测试我们发现相对于薄膜体系而言,图案化的纳米柱结构具有更强的压电响应以及更小的矫顽场,并且矫顽场的大小则随着纳米柱直径的减小而逐渐降低。随后我们将这一纳米阵列结构应用于P3HT:PCBM共混体系的聚合物太阳能电池中,结果发现在不同极化状态下太阳能电池的效率最多相差了一倍,正向极化状态下电池效率相对于未极化状态提高了25%。除了在太阳能电池上的应用外,由于P(VDF-TrFE)具有优异的压电性能,其在压力传感器,压电式纳米发电机等压电器件中也有大量应用。在本文中,我们以多孔聚酰亚胺薄膜作为衬底,利用熔融填充的方法,在聚酰亚胺管道中构筑了结构连续的P(VDF-TrFE)纳米线,并对其在外部压力作用下产生的压电响应性能进行了研究。结果发现相比较于同样热处理条件下的薄膜样品而言,纳米线结构具有更为强烈的压电响应信号,随后通过掠入射X射线衍射我们分析了纳米线以及薄膜中分子链的取向方式,发现在纳米线结构中分子链沿着垂直于管道的方向排列,而薄膜分子链方向则沿着垂直于衬底的方向。另外,我们根据电压响应与压力之间的关系,计算了纳米线结构的压电电压常数,发现其比薄膜体系有了巨大的提升,同时与纳米管结构相比也有一定的提高。总之,我们通过一系列方法构筑了铁电聚合物P(VDF-TrFE)的纳米结构,并以此为基础研究了纳米结构铁电聚合物在铁电聚合物太阳能电池以及压电响应中的影响。论文的主要意义在于研究了受限环境对P(VDF-TrFE)的取向影响的基础上,进一步研究受限和铁电聚合物性能之间的关系,为铁电聚合物纳米结构在实际器件应用中提供一定的参考意义。

关键词：铁电聚合物纳米结构聚合物太阳能电池压电响应

铁电聚合物P(VDF-TrFE)薄膜纳米图案的编码、解码及在嵌段共聚物自组装中的应用

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铁电聚合物P(VDF-TrFE)薄膜纳米图案的编码、解码及在嵌段共聚物...

作者：申雪珍苏州大学

学位级别：硕士

铁电材料是一类特殊的介电材料。它们不仅具有自发极化,而且自发极化偶极的方向可以在外场的作用下发生改变,因此会呈现出铁电性、压电性和热释电性。聚偏氟乙烯及其共聚物是一类典型的铁电材料。与无机铁电材料相比,它们具有柔性、价... 详细信息

铁电材料是一类特殊的介电材料。它们不仅具有自发极化,而且自发极化偶极的方向可以在外场的作用下发生改变,因此会呈现出铁电性、压电性和热释电性。聚偏氟乙烯及其共聚物是一类典型的铁电材料。与无机铁电材料相比,它们具有柔性、价格低廉、化学稳定性好和便于加工的特性。因此聚偏氟乙烯及其共聚物已经广泛应用于柔性传感器、红外探测器、非易失性存储和热释电等器件的构筑。然而,在实际应用中还有很多科学问题需要进一步研究和解决。本论文中,我们主要以偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物(P(VDF-Tr FE))为研究对象,首先发展了一种在非接触模式下就能在铁电聚合物薄膜中实现二维纳米图案编码的方法,即利用电子束曝光机对P(VDF-Tr FE)聚合物薄膜进行直写,电荷局部累积产生内建电场,可在纳米尺度上远程控制铁电畴的极化反转及图案化,而且整个极化过程极快,在微秒内即可完成。电荷的数量及类型取决于电子束直写的剂量,通过改变电子束剂量或者停留时间,就可得到向上和向下两种极化状态。最后,压电响应的测试结果支持了P(VDF-Tr FE)中铁电畴的极化反转是通过围绕主链以60°步进式旋转进行的理论,并证实了铁电存储中多位数据存储的可能性,为设计高密度的有机铁电信息存储设备提供重要的参考。为了解码P(VDF-Tr FE)薄膜中的图案,我们充分利用聚合物薄膜的不稳定性,以一种快速简单的方式诱导聚合物还原P(VDF-Tr FE)中初始的纳米图案。利用这种方法,可以构筑大面积周期性有序的聚合物纳米结构阵列。它的实现是电流体动力不稳定性和去润湿行为共同驱动的结果。前者是因为铁电聚合物P(VDF-Tr FE)的极化与未极化区域表面存在电势差,从而在图案化的表面产生横向梯度的静电应力,使得退火的过程中聚合物表面不稳定,驱动分子链从未极化区域流向极化区域;而另一方面内建电场的存在使得P(VDF-Tr FE)和聚合物之间的表面张力减小,聚合物在极化区域上更容易润湿,所以在溶剂退火的过程中聚合物在极化区域富集。我们进一步将P(VDF-Tr FE)薄膜中的图案应用于诱导嵌段共聚物的自组装。为了解决高χ值嵌段共聚物自组装结构的面外和面内取向调控性难题,我们探索了图案化的P(VDF-Tr FE)对嵌段共聚物薄膜自组装相形貌的影响。结果表明,在溶剂退火的过程中,聚苯乙烯-聚(2-乙烯基吡啶)(PS-b-P2VP)与均聚物发生的行为类似,溶胀后分子链在电流体动力不稳定性及去润湿行为的驱动下从未极化区域向P(VDF-Tr FE)的极化区域流动,最终在极化区域富集。而且,由于嵌段组分之间介电常数的差异,微相分离的相界面会平行于电场方向取向,在极化区域实现了嵌段共聚物垂直柱状相以及垂直层状相结构的构筑。总之,本论文以铁电聚合物P(VDF-Tr FE)为研究对象,发展了利用非接触方式在纳米尺度上对铁电畴进行图案化的方法,成功地将电子束的剂量和符号(正电荷和负电荷)编码在P(VDF-Tr FE)薄膜的二维图案中;利用聚合物薄膜的不稳定性行为,将P(VDF-Tr FE)薄膜的二维微纳米图案转化为其他聚合物的三维微纳米图案,实现了铁电薄膜二维微纳米图案的解码;利用P(VDF-Tr FE)剩余极化产生的局部电场,结合嵌段共聚物的自组装行为,研究了具有较高Flory-Huggins相互作用参数的嵌段共聚物自组装结构的面外取向和面内有序排列调控方法,探索了铁电材料的新应用方向。

关键词：铁电聚合物偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物图案化去润湿嵌段共聚物

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铁电聚合物的性能及其应用

电子元件与材料 1996年第5期15卷 1-5页

作者：冯玉军井晓天楼秉哲西安理工大学

聚偏氟乙烯和它的共聚物Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｅＦＥ）是铁电聚合物，表现出强的压电和热释电性能，由于它们具有良好的柔韧性和容易制成大面积的薄膜，因而在音频和超声传感器、生物医学传感器、机电换能器以及热释... 详细信息

聚偏氟乙烯和它的共聚物Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｅＦＥ）是铁电聚合物，表现出强的压电和热释电性能，由于它们具有良好的柔韧性和容易制成大面积的薄膜，因而在音频和超声传感器、生物医学传感器、机电换能器以及热释电和光学器件中具有重要的应用前景。在水听器，医用超声传感器和机器人探测器等领域已获得实际应用。

关键词：铁电聚合物压电热释电

铁电聚合物P(VDF-TrFE)纳米结构阵列的构筑及其在有机聚合物太阳能电池中的应用

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南通大学学报（自然科学版） 2017年第3期16卷 43-48页

作者：王芳吴阳江李晓慧顾学芳田澍苏州大学软凝聚态物理及交叉研究中心江苏苏州215006 南通大学化学化工学院江苏南通226019

采用两步阳极氧化法制备了孔径均匀的多孔阳极氧化铝(AAO)模板,利用纳米压印技术构筑了高度规整的聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-Tr FE)纳米结构阵列,并通过压电力显微镜(PFM)直观地观测P(VDFTr FE)纳米结构阵列的极化翻转行为,结... 详细信息

采用两步阳极氧化法制备了孔径均匀的多孔阳极氧化铝(AAO)模板,利用纳米压印技术构筑了高度规整的聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-Tr FE)纳米结构阵列,并通过压电力显微镜(PFM)直观地观测P(VDFTr FE)纳米结构阵列的极化翻转行为,结果表明具有择优取向的P(VDF-Tr FE)纳米结构阵列具有较低的矫顽场.将这一结构应用到聚合物太阳能电池正极与半导体聚合物层间,并成功通过外部极化电场的变化实现了对太阳能电池效率的调控.通过对太阳能电池性能的测试发现,不同的极化方向对太阳能电池效率具有十分重要的影响,其中当铁电层呈现电负性时,器件的光电转化效率提高了25%.

关键词：铁电聚合物纳米压印纳米结构阵列极化翻转聚合物太阳能电池

材料学院研究团队在铁电聚合物中发现极性涡旋拓扑新物态 003

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